丁晨
南京电子器件研究所 江苏省南京市 210000
摘要：Si基GaN因其在制备功率电子器件领域重大的应用优势，且具有低衬底成本，衬底8英寸技术非常成熟，使得Si基GaN(GaN-on-Si)电子器件的社会经济效益比较高，在5G通信领域应用前景比较明朗。本文介绍了GaN-on-Si器件在5G通信领域内的技术应用趋势，以及所面临的市场竞争。
关键词：功率器件；5G；Si基GaN
1 引 言
在功率放大器pa方面，GaN凭借更高的禁带宽度，能够在高功率、高频工作环境下表现出相当优良的通信性能，并呈现出更高的输出的功率和更好的效率。低噪声放大器lna方面，GaN呈现出更低噪声系数，仅弱于 inp hemt、gass mhemt。GaN射频器件具有不同衬底，其中Si基GaN具有低衬底成本，Si 衬底8英寸技术很成熟，利用现有硅代工厂的规模生产优势，使得Si基GaN电子元器件产品应用越来越成为人们关注的焦点。另外，现有的硅基GaN衬底技术也可兼容常规CMOS工艺，将CMOS器件与硅基GaN电子元器件集成在同一张芯片上，因此，硅基GaN能够成为市场主流，并且主要应用在5G射频领域，以硅基GaN材料为基础所研制的功率放大器即将大批量应用于5G基站中。硅基衬底GaN完全可以满足5G通信系统对射频功率放大器的技术需求，将随着5G通信系统的大规模建设迎来新的发展机会。
2 Si衬底GaN基材料的特性与优势
随着无线通信技术发展到5G时代，用户对通信服务的联网速度，5G流量密度、时效性有了更好的需求。为了满足这个需求，通信服务商会引入更高频率的微波波段来升高频率，增加频宽来缓解带宽波段，提升数据传输效率和传输质量，这些需求会使得射频功率放大器的重要性得到不断提升。目前在现有的5G基站，硅基GaN电子元器件能在功率放大器领域取代硅基射频电子元器件，主要是因为GaN是宽禁带（wide-bandgap）电子元器件，禁带宽度3.4eV，击穿电压3MV/cm。GaN器件禁带宽度大，意味着更高的瞬时带宽，覆盖无线通信系统的所有波段和频道所需要的射频功率放大器数量就更少了。使用GaN材料集成的芯片具有更高的临界击穿电压，相比现有的技术，输出能量密度更高。此外，GaN材料由于其更高的输出阻抗，使得GaN电子元器件的功率组合和阻抗匹配更容易，提高基站射频功率放大器的实用性，覆盖更多更宽的频率范围。
随着通信系统的频率越高，硅基GaN技术的优点就越明显。GaN材料击穿电压远大于硅基材料和GaAs（砷化镓），输出功率更大[1]；相比于LDCMOS（横向扩散MOS技术）和SiC（碳化硅）材料，GaN具备更好的频率特性。市场上射频功率放大器GaN技术正在逐步成为主流。
由于缺乏大规模商用的GaN单晶衬底，GaN电子元器件技术选择在异质外延衬底上生长。硅衬底外延GaN 成本低，易于集成且尺寸大，同时随着硅衬底外延生长设备和技术工艺水平的进步，可大幅度降低器件制作成本，为大规模工业化量产提供保障，俨然成为近年来产业界和学术界重点关注的热门领域，目前国际上已经达成共识来采用硅作为氮化镓电子器件的衬底。
3 Si基GaN在5G通信上的应用现状
5G通信的发展，新一代通信系统需要设计出更多的制式和频段来满足客户的定制化需求。例如，手机结构设计限制了通信系统的空间布局，同时还必须满足制式和性能的需求，就需要不同频率的射频前端进行集成。其中射频前端集成中主要的核心电子元器件-RFPA射频功率放大器直接影响了手机5G通信的距离、5G信号强度，甚至5G手机待机时长，是整个5G射频领域中较为重要的部分。同时，与 4G手机相比，5G射频系统更多的将使用GaN电子元器件取代硅基电子元器件，5G通信手机内的RFPA数量可能会高达 16颗以上，比4G手机的RFPA数量两倍还多。因此，5G通信时代射频功率放大器前端需求的技术性发展，也给Si基GaN器件技术带来了新的发展机遇。
硅基氮化镓的最突出的特点是能够与CMOS器件集成芯片，并实现额外的结构优化和性能迭代优势。目前由于工艺技术的限制，碳化硅基衬底氮化镓材料暂时不具备该特性。
硅基GaN的这种特性也为多功能数字辅助射频微波集成电路芯片(MMIC)集成片上配电网络和片上数字校准以及数字控制等打开了技术的大门。OMMIC公司（已被四川益丰电子收购）基础研发部部长王祁钰在深圳2018国际第三代半导体论坛（IFWS）射频分会上的报告指出，硅基CMOS与硅基氮化镓器件的异质集成是进一步延续百亿赫路线图并实现与所有技术的最佳性能的最高集成度的方法。并且为了完全满足市场及成本需求，该公司于2017年9月26日开通了6英寸100nm 硅基氮化镓产线。
硅基氮化镓为无线通信系统使用射频功率放大器领域开创了一个技术新领域，硅基衬底氮化镓器件技术的独特优势，可以满足5G通信系统无线基站设备对于高频性能、低成本、生产状况和零部件供应链灵活性的要求，在5G射频功率放大器领域拥有独特的卓越性能。硅基氮化镓提供的射频功率放大器解决方案较LDMOS器件技术相比，性能指标完胜，成本相差不大；和碳化硅基氮化镓器件技术相比，性能满足需求，成本远低于碳化硅基氮化镓器件技术。
在2017的电子设计创新大会上，MACOM上海负责人表示，硅衬底GaN技术生产成本低，同时具有更好的散热效果。目前基站中采用的射频功放主要是基于硅基工艺的LDMOS技术，非常成熟，成本也很低，但LDMOS技术无法圆满解决在2GHz以上的高频领域性能降低的问题，在传输效率和波段应用方面越来越没有竞争力。5G时代需要更高的用户体验速率100Mbps、更宽的功率、高达100Ghz的频率分布以及10Gbps的峰值数据传输速率，这些因素让传统的LDMOS器件彻底与5G绝缘，同时也支撑了基站彻底接受具有高频性能的硅衬底氮化镓器件。这就是硅衬底氮化镓器件能够大规模进入5G市场射频功率放大器领域的最大原因。
5G基站的大规模建设已经驱动了市场基于硅基衬底GaN器件技术的射频功率放大器技术的普及，来替代LDMOS器件。国内的基站设备应用上在制造5G设备时已经采用的大量的硅基GaN工艺射频放大器，国外的其他基站设备供应上在PA技术也跟随了国内厂商路线。
4 Si基GaN在5G领域面临的市场竞争
5G技术对应的频谱分布在28GHz以上的高频段（毫米波）与6GHz以下的低频段。毫无疑问，毫米波频段，GaN电子元器件输出功率更好，高频性能更强，优势非常明显。LDMOS器件将与GaN器件在低频段基站天线领域中进行竞争[2]。
对于5G技术而言，GaN将毫无疑问成为最适合射频功率放大器的材料，而随着 5G在毫米波频段的应用，GaN可实现减少系统链路通道数、最小化阵列尺寸、降低功耗以及系统成本的优势，成为5G通信在功放领域内的关键材料之一[3]。
硅基GaN技术在5G通信领域面对的主要竞争是碳化硅基氮化镓。SiC基衬底技术具有良好的散热性能，输出功率更高，具备更好的可靠性。同等输出功率下，碳化硅衬底器件结构更小，整体成本更低。但是现在大部分的碳化硅衬底GaN器件只能采用3英寸或者4英寸晶圆生产，遭遇的最大挑战是生产成本居高不下，一块3英寸的半绝缘SiC比Si(111)的价格要高上20倍。
硅基GaN器件是横向元件，硅基衬底技术也可兼容CMOS工艺技术，结合全球化的大尺寸、低成本CMOS器件硅晶圆和射频功率放大器设备代工厂，以低廉的价格为竞争优势和同等优异的性能来迅速占领5G射频功放领域市场。
5 总结
整体来说，硅基GaN器件产品尺寸和性能已经有了长足的进步。尺寸方面，市场上前期产品均为比较大个的陶瓷封装，但是现在市场上主流的硅基GaN产品更多是使用手机上用的QFN封装来做。尺寸已经缩小到4*4mm、5*7mm，厚度小于2mm。这已经非常接近于手机的产品形态了。成本结构方面也在向手机看齐，甚至会用与手机同样的封测线来做硅基GaN产品。技术上来说，是一个循循渐进的过程。只要5G基站开始规模化建设，硅基GaN的整个产品结构能够支撑，那么5G通信基础建设的规模效应就会把硅基GaN器件大规模的应用到5G通信手机上来。
参考文献
[1] 胡建全. 多倍频程超宽带接收机芯片关键技术研究[D].四川：电子科技大学，2019
[2] 诸葛天祥. 新型平面型级联行波管研究[D].四川：电子科技大学，2015
[3] 赵树峰, 向贺玲. 高效率GaN器件助力构建5G通信新业态[J]. 新材料产业, 2019, No.311(10):49-52